不同線跡電路傳輸線的電阻值及拉伸性能

鄭 艷， 張文慧， 鄭 茜

(中原工學(xué)院 服裝學(xué)院， 河南 鄭州 450007)

電子紡織材料、電子信息技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了服裝智能化的發(fā)展。隨著各類導(dǎo)電纖維及紗線制造技術(shù)的成熟，電容式、電感式、壓阻式等柔性傳感器以及光纖傳感器大量應(yīng)用于紡織服裝上，在醫(yī)療保健、人體監(jiān)測(cè)及運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域滿足了人們對(duì)服裝智能化的需求[1]。目前，各類傳感器、電子元件與服裝的集成工藝主要有3種類型：物理連接、機(jī)械夾持和使用導(dǎo)電黏合劑。柔性、可拉伸的電路傳輸線是智能服裝無(wú)縫集成的關(guān)鍵部分，也影響著服裝的穿著舒適性，人們利用機(jī)織、針織、刺繡和印花等技術(shù)設(shè)計(jì)電路傳輸線來(lái)實(shí)現(xiàn)在紡織材料上的柔性電路布線[2-3]。刺繡工藝由于圖案設(shè)計(jì)靈活、制作方法簡(jiǎn)單，可用于智能可穿戴產(chǎn)品連續(xù)電路布局和紡織天線、織物輸入鍵盤的制作[4-6]?？p紉工藝由于可縫制的線跡種類豐富，操作便捷，并且是服裝生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)，故采用該工藝縫制導(dǎo)電線來(lái)實(shí)現(xiàn)智能服裝生產(chǎn)受到人們的關(guān)注。目前，學(xué)者們多是針對(duì)導(dǎo)電線的可縫性[7]、不同線跡縫紉布線的電學(xué)性能[8-9]以及縫紉工藝參數(shù)對(duì)織物服用性能的影響[10]等進(jìn)行研究，而以針織面料為縫制基底，針對(duì)不同線跡并在線跡結(jié)構(gòu)的不同位置使用導(dǎo)電線所形成的柔性電路傳輸線的性能差異，尚未進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

本文以不同線跡，并在線跡結(jié)構(gòu)中不同位置使用鍍銀導(dǎo)電線來(lái)縫制電路傳輸線，對(duì)其電學(xué)性能和拉伸性能進(jìn)行測(cè)試和分析，探究使用縫紉工藝縫制形成智能服裝電路傳輸線的可行性，從而為智能可穿戴的柔性一體化連接工藝提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

織物：100%棉，幅寬185 cm，平方克重580±10 g/m2，緯平針織結(jié)構(gòu)。

導(dǎo)電線：尼龍纖維鍍銀99%雙股線，Shieldex? 117/17-2 PLY，德國(guó)statex公司，電阻值為500±50 Ω/m，線密度為295 dtex。

普通縫紉線：滌綸雙股線，滬江線業(yè)有限公司，線密度為222 dtex。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

本文所使用的實(shí)驗(yàn)儀器為平縫機(jī)(DDL-9000C，日本JUKI)，鏈縫機(jī)(MH-481，日本JUKI)，包縫機(jī)(MO-6716DA，日本JUKI)，繃縫機(jī)(MF-7500D，日本JUKI)，全智能數(shù)字萬(wàn)用表(VC890C+，深圳驛生勝利科技有限公司)，織物拉伸斷裂儀(YG026MD-250，溫州方圓儀器有限公司)，全自動(dòng)透氣量?jī)x(YG461E-III，寧波紡織儀器廠)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

線跡不同，縫紉線的相互組合結(jié)構(gòu)會(huì)有差異，當(dāng)使用導(dǎo)電線進(jìn)行縫制時(shí)，縫紉線這種結(jié)構(gòu)的差異化組合方式會(huì)造成導(dǎo)電線的接觸關(guān)系不同，從而影響所縫制電路傳輸線的電阻值和拉伸性能。根據(jù)GB/T 4515-2008《線跡的分類和術(shù)語(yǔ)》[11]對(duì)線跡的分類，選擇具有代表性的鎖式線跡、鏈?zhǔn)骄€跡、包邊線跡和覆蓋線跡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其中，在利用覆蓋線跡縫制時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)不同參數(shù)的線跡，對(duì)導(dǎo)電線在線跡結(jié)構(gòu)的不同位置進(jìn)行調(diào)整和搭配，來(lái)完成電路傳輸線的縫制。不同線跡中導(dǎo)電線位置以及針距設(shè)置如表1所示，不同線跡結(jié)構(gòu)的正、反面如圖1所示。

表1 不同線跡中導(dǎo)電線位置以及針距Tab. 1 Position of conductive threads and density of stitches

(a) 301-A

(b) 401-A

(c) 514-M

(d) 602-A

(e) 602-B (f) 605-B

(g) 605-M-D

1.3 測(cè)試方法

裁剪針織面料條(長(zhǎng)×寬：150 mm×50 mm)，每種線跡結(jié)構(gòu)的試樣縫制3個(gè)樣品，用萬(wàn)用表測(cè)量每個(gè)樣品上10 cm電路傳輸線的電阻值，每個(gè)樣品測(cè)量3個(gè)不同位置，取平均值。

作為服裝面料的一部分，利用不同線跡縫制的電路傳輸線強(qiáng)度要滿足人體活動(dòng)的需要，在小范圍拉伸過(guò)程中應(yīng)保持穩(wěn)定的導(dǎo)電性。根據(jù)GB/T 3923.1-2013 《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(條樣法)》[12]測(cè)定樣品的拉伸斷裂強(qiáng)度，每種線跡結(jié)構(gòu)的試樣準(zhǔn)備3個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)試。此外，測(cè)試樣品在拉伸過(guò)程中的電阻值時(shí)，以5%伸長(zhǎng)率為間隔進(jìn)行測(cè)量(每伸長(zhǎng)5%測(cè)量1次)，直至線跡中導(dǎo)電線斷裂，每種線跡結(jié)構(gòu)的試樣準(zhǔn)備3個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)試。

根據(jù)GB/T 5453-1997 《紡織品 織物透氣性的測(cè)定》[13]測(cè)定樣品的透氣性，探究縫制的電路傳輸線對(duì)針織面料透氣性的影響。利用每種導(dǎo)電線跡在針織面料上縫制2條電路傳輸線，每條長(zhǎng)度為30 cm，電路傳輸線之間的距離為5 cm。使用YG461E-III全自動(dòng)透氣量?jī)x測(cè)試樣品的透氣率，每個(gè)樣品測(cè)試6個(gè)不同位置，取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 線跡結(jié)構(gòu)對(duì)電路傳輸線電阻值的影響

根據(jù)電阻值分析不同線跡所縫制電路傳輸線的導(dǎo)電性，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，514-M、602-B、602-U1、605-D、605-B這5種導(dǎo)電線跡的樣品電阻值較大，均超過(guò)導(dǎo)電線本身電阻值(50 Ω/10 cm)。除此之外，利用其他線跡縫制的電路傳輸線電阻值從小到大的排序?yàn)椋?02-A<602-U1-D<401-A<602-D<605-M-D<301-A。從線跡結(jié)構(gòu)角度分析，造成不同線跡電路傳輸線電阻值差異的原因可能有：①線跡中使用導(dǎo)電線的長(zhǎng)度不同，導(dǎo)電線越長(zhǎng)，電阻值越大；②不同線跡中導(dǎo)電線構(gòu)成的交結(jié)點(diǎn)(指上、下線交織在一起的相固定的點(diǎn))的數(shù)量和在此處受到的力不同。在導(dǎo)電線跡中，交結(jié)點(diǎn)的作用相當(dāng)于形成“并聯(lián)電路”，可減小電阻值。在602線跡中，當(dāng)將導(dǎo)電線用于底線，面線至少使用1條導(dǎo)電線時(shí)，導(dǎo)電線的交結(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，相互之間面底線穿套受力較大，故而電阻值較小。根據(jù)電阻值比較結(jié)果，后面僅對(duì)301-A、401-A、602-D、602-U1-D、602-A、605-M-D這6種線跡結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

圖2 不同線跡電路傳輸線的電阻值Fig. 2 Resistance value of conductive transmissions with stitch types

導(dǎo)電線的消耗量不但影響電路傳輸線的電阻值，且因價(jià)格昂貴而影響服裝生產(chǎn)成本。因此，還需要比較不同線跡結(jié)構(gòu)中導(dǎo)電線的消耗量。導(dǎo)電線的消耗量通過(guò)“縫跡-線長(zhǎng)比”進(jìn)行計(jì)算。裁剪針織面料條(長(zhǎng)×寬：150 mm×50 mm)18條，6種線跡試樣各縫制3條樣品，量取樣品上30 cm線跡長(zhǎng)度，將線跡中的面、底線所用導(dǎo)電線拆除并測(cè)量，分別記為E上和E下，然后相加并除以30求得單位長(zhǎng)度線跡所需導(dǎo)電線用量，即縫線消耗量，用E值表示，即E=(E上+E下)/30。E值越大，表示在縫制相同長(zhǎng)度線跡時(shí)消耗的導(dǎo)電線越多。

不同線跡與E值電路傳輸線電阻值如圖3所示。由圖3可以看出，301-A線跡電路傳輸線的電阻值最大但E值最??；401-A線跡屬于鏈?zhǔn)骄€跡，與301-A線跡相比，電路傳輸線有一定的拉伸性，電阻值與導(dǎo)電線電阻值相近，E值較小；在602-D、602-U1-D、602-A、605-M-D幾種線跡樣品中，隨著所用導(dǎo)電線數(shù)量的增加，E值逐漸增大，其中602-A線跡電路傳輸線電阻值雖然最小，但E值較高。說(shuō)明利用602-A線跡縫制電路傳輸線時(shí)，雖然可以獲得優(yōu)良的導(dǎo)電性，但是較高的導(dǎo)電線消耗量會(huì)帶來(lái)生產(chǎn)成本的上升。因此，在采用不同線跡縫制電路傳輸線時(shí)，要根據(jù)應(yīng)用環(huán)境綜合考慮電路傳輸線的電阻值和導(dǎo)電線的消耗量。

圖3 不同線跡電路傳輸線電阻值與E值Fig. 3 Resistance value and E value of conductive transmissions

2.2 拉伸過(guò)程中電路傳輸線電阻值的穩(wěn)定性分析

電路傳輸線應(yīng)用于智能服裝時(shí)，需要有一定的可拉伸性以滿足人體活動(dòng)。在有限的拉伸過(guò)程中保持電阻值的穩(wěn)定性是智能可穿戴系統(tǒng)信號(hào)穩(wěn)定傳輸?shù)闹匾ＷC。為了評(píng)估不同線跡的電路傳輸線在拉伸過(guò)程中電阻值的穩(wěn)定性，測(cè)試了10 cm長(zhǎng)電路傳輸線在每間隔5%伸長(zhǎng)率時(shí)的電阻值和所受拉力(電路傳輸線每伸長(zhǎng)5%測(cè)量1次)，結(jié)果如圖4所示。由圖4(a)可知，利用602、605線跡縫制的幾種電路傳輸線在伸長(zhǎng)率為0～10%時(shí)，隨著伸長(zhǎng)率的增加電阻值略微降低，在伸長(zhǎng)率為10%～40%時(shí)，電阻值變化不明顯，伸長(zhǎng)率超過(guò)40%后，隨著伸長(zhǎng)率的增加，電阻值逐漸增加，當(dāng)超過(guò)60%后，電阻值明顯升高直至導(dǎo)電線斷裂。由圖4(b)可知，利用602、605線跡縫制的電路傳輸線伸長(zhǎng)率在10%以內(nèi)時(shí)受力較小，在伸長(zhǎng)率為10%～40%時(shí)，隨著伸長(zhǎng)率的增加受力逐漸增加，在伸長(zhǎng)率超過(guò)40%后，受力明顯上升。綜合圖4可知，在電路傳輸線的拉伸過(guò)程中，隨著受力的逐漸增加，電阻值從略微降低到穩(wěn)定，再到增大，說(shuō)明在縫制電路傳輸線時(shí)，線跡的交結(jié)點(diǎn)和交結(jié)點(diǎn)所處的張力對(duì)其有影響。而這類覆蓋線跡底部的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有利于電路傳輸線在具備一定拉伸能力的情況下，保持較為穩(wěn)定的電阻值。不同線跡電路傳輸線電阻值拉伸穩(wěn)定性由強(qiáng)到弱的順序是：602-U1-D>605-M-D>602-D>602-A>401-A>301-A。

(a) 電路傳輸線電阻值 (b) 電路傳輸線拉伸強(qiáng)度圖4 拉伸狀態(tài)下電路傳輸線的電阻值與拉伸強(qiáng)度Fig. 4 Resistance value and tensile strength of transmissions during stretching

在智能服裝動(dòng)態(tài)穿著場(chǎng)景中，使用不同類型覆蓋線跡縫制的電路傳輸線，在拉伸伸長(zhǎng)率不超過(guò)40%的情況下電阻值變化不大；而利用鎖式線跡和鏈?zhǔn)骄€跡縫制的電路傳輸線，只在拉伸伸長(zhǎng)率不超過(guò)5%的情況下能維持較為穩(wěn)定的電阻值，且伸長(zhǎng)率不到40%就會(huì)發(fā)生導(dǎo)電線斷裂。

2.3 電路傳輸線對(duì)面料強(qiáng)度和透氣性的影響

在針織面料上利用不同線跡縫制電路傳輸線，測(cè)試其拉伸強(qiáng)度和透氣性可以評(píng)估面料的服用性能。根據(jù)不同線跡電路傳輸線電阻值的分析結(jié)果，本文選擇301-A、401-A、602-A、605-M-D 4種縫制線跡，比較縫制導(dǎo)電線前后針織面料的拉伸斷裂強(qiáng)度和透氣性，結(jié)果見圖5。

由圖5(a)可知，針織面料(斷裂伸長(zhǎng)率為79.40%)在縫制電路傳輸線后，斷裂伸長(zhǎng)率均有所增加。其中，縫制301-A線跡導(dǎo)電線的針織面料，斷裂伸長(zhǎng)率為88.54%，增加量最??；而縫制605-M-D線跡導(dǎo)電線的針織面料，斷裂伸長(zhǎng)率提高到97.76%。說(shuō)明在針織面料上縫制導(dǎo)電線，一定程度上可以提高面料的斷裂伸長(zhǎng)率。但利用605-M-D線跡縫制導(dǎo)電線后的面料斷裂強(qiáng)力有所下降，原因可能是該線跡是由3根直針穿透面料形成，在縫紉過(guò)程中機(jī)針會(huì)對(duì)面料造成一定損傷。后期通過(guò)更換與面料匹配的圓頭機(jī)針，可能會(huì)一定程度上緩解這個(gè)問(wèn)題。由圖5(b)可知，針織面料(透氣率為302.6 mm/s)在縫制不同線跡電路傳輸線后，材料的透氣率并未發(fā)生顯著變化(P=0.431>0.05)，說(shuō)明使用這幾種線跡進(jìn)行導(dǎo)電線縫制，不會(huì)影響針織面料的透氣性。

(a) 拉伸斷裂性 (b) 透氣率圖5 導(dǎo)電線縫制前后面料的拉伸斷裂性與透氣性Fig. 5 Strength of breaking and air permeability of fabrics before and after stitching

3 結(jié)語(yǔ)

選擇合適的線跡在面料上縫制電路傳輸線，是智能服裝柔性電路布線的一種操作方法。利用300、400、500以及600系列的常用線跡縫制電路傳輸線，對(duì)其電阻值及拉伸性能進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，利用602線跡縫制的電路傳輸線電阻值最小，且伸長(zhǎng)率不超過(guò)40%時(shí)較為穩(wěn)定，但是導(dǎo)電線消耗量較大。在針織面料上縫制導(dǎo)電線后，面料的斷裂伸長(zhǎng)率有所提升，透氣性不受影響。后期可綜合考慮智能服裝不同部位的拉伸性、電路傳輸線的導(dǎo)電性以及生產(chǎn)成本，選擇合適的線跡完成電路傳輸線的縫制。